JP2007115884A - 有機ｅｌ発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光層から発せられた光の一部が外部に出射することなく多数回の反射を繰り返して減衰する現象を抑制し、外部量子効率を高めることが可能な有機ＥＬ発光素子を提供する。
【解決手段】少なくとも一方が透光性を有する電極とされた陽極２および陰極４と、これら陽極２および陰極４の間に挟まれて形成され、かつ一部分が発光層３１として形成されている有機層３と、を備えている、有機ＥＬ発光素子Ａ１であって、有機層３のうち、発光層３１を除く領域３０，３２の少なくとも一部分には、エレクトロルミネセンスの性質を有さず、かつ発光層３１から発せられる光の励起によって蛍光またはりん光を生じるフォトルミネセンスの発光物質９ａ，９ｂがドープされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、有機物のエレクトロルミネセンス（ＥＬ）を利用し、画像表示用のディスプレイや面状の光源装置などとして用いられる有機ＥＬ発光素子、さらに詳しくは、外部量子効率を高くすることが可能な有機ＥＬ発光素子に関する。

有機ＥＬ発光素子としては、種々のものが提案されているが（たとえば、特許文献１〜３を参照）、それらは基本的には、陽極および陰極の間に、発光層を含む有機層が形成された構成となっている。発光層は、有機蛍光体を含んでおり、この有機蛍光体は、陽極および陰極を利用して与えられる電界により励起されて蛍光を生じる。このような有機ＥＬ発光素子は、たとえば透明基板上に、陽極、有機層、および陰極を蒸着などの手法により順次積層させて形成することにより製造される。この製造に際し、たとえば上記陽極および陰極の一方は、上記透明基板上に積層された透明電極とされ、また他方は反射電極とされる。このような構成によれば、有機層の発光層から発せられた光の一部は、そのまま透明電極および透明基板を透過して外部に出射するとともに、他の一部は、反射電極により反射されてから上記透明電極および透明基板を透過して外部に出射することとなる。

しかしながら、上記従来技術においては、次に述べるように、外部量子効率の点において改善の余地があった。

すなわち、発光層から発せられた光が透明電極や透明基板に到達した場合、その全量がそのまま外部に出射することはなく、一部の光についてはそれら透明電極や透明基板によって反射され、有機層内に戻される。この有機層内に戻された光は、その後反射電極に到達すると、さらに反射されて透明電極や透明基板に向けて進行するが、やはりその光の一部は、それらの部分によって再度反射され、有機層内に戻される。このように、発光層から発せられた光の一部は、透明電極または透明基板と反射電極との間において多数回にわたって反射を繰り返しており、外部に出射することなく減衰している。従来においては、このようにして減衰する光の量が比較的多くなっており、このことに起因して外部量子効率が低いものとなっていた。

なお、特許文献３には、白色光を得るための手段として、赤、緑、青のそれぞれに発光する３種類の蛍光色素（ＥＬ蛍光色素）を発光層とは別のたとえばホール輸送層にも分散させてもよい旨が示唆されている。ところが、ホール輸送層に分散されたＥＬ蛍光色素から発せられた光は、発光層から発せられた光と同様に、電界励起によって発生した光であり、かつその一部は透明電極または透明基板と反射電極との間において多数回にわたる反射を繰り返しながら減衰していく。したがって、このような構成においても、外部量子効率の向上は期待できない。

特開２００５−１９３３８号公報 特開２００３−４５６７６号公報 特開２００２−１１０３５８号公報

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであって、発光層から発せられた光の一部が外部に出射することなく多数回の反射を繰り返して減衰する現象を抑制し、外部量子効率を高めることが可能な有機ＥＬ発光素子を提供することを、その課題としている。

本発明により提供される有機ＥＬ発光素子は、少なくとも一方が透光性を有する電極とされた陽極および陰極と、これら陽極および陰極の間に挟まれて形成され、かつ一部分が発光層として形成されている有機層と、を備えている、有機ＥＬ発光素子であって、上記有機層のうち、上記発光層を除く領域の少なくとも一部分には、エレクトロルミネセンスの性質を有さず、かつ上記発光層から発せられる光の励起によって蛍光またはりん光を生じるフォトルミネセンスの発光物質がドープされていることを特徴としている。ここで、本発明でいう「発光層」とは、エレクトロルミネセンスの発光を生じる層であり、フォトルミネセンスの発光物質がドープされた領域を含むものではない。また、「エレクトロルミネセンスの性質を有さず」とは、フォトルミネセンスの発光物質が、有機層のうちの発光層を除く領域のドープされた部分においてエレクトロルミネセンスの発光を生じないことを意味している。

本発明によれば、有機層の発光層から発せられた光の一部が、たとえば陽極または陰極によって反射されて有機層内に戻されるように進行したとしても、この光がその進行過程においてフォトルミネセンスの発光物質にあたると、この発光物質は上記光により励起されて蛍光またはりん光を生じる。そして、この発光物質から発せられた光が陽極および陰極の少なくとも一方の透光性を有する電極に到達すると、その光の多くは外部に出射することとなる。このように、本発明によれば、発光層から発せられた光がその進行過程においてフォトルミネセンスの発光物質にあたることにより、この発光物質から発せられる光に変換され、外部に出射する機会を生じることとなる。したがって、本発明によれは、発光層から発せられた光が陽極および陰極の間において多数回にわたって反射を繰り返しながら減衰していく光の量を少なくし、従来技術よりも外部量子効率を高くすることが可能となる。その結果、消費エネルギを抑制しつつ、発光輝度を高めることができる。なお、本発明において留意すべき点は、上記フォトルミネセンスの発光物質は、エレクトロルミネセンスの性質を有しておらず、このことにより上記した効果が適切に得られる点にある。本発明とは異なり、仮にフォトルミネセンスの発光物質がエレクトロルミネセンスの性質を併せもっている場合には、電界励起により発光し、発光層から発せられた光の励起によっては発光しないこととなるため、本発明が意図する作用は得られない。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記発光層は、青色光を発するように構成されているとともに、上記ＰＬ発光物質としては、上記青色光を受けることによって赤色光を発する第１の物質と、緑色光を発する第２の物質とが用いられている。

このような構成によれば、白色光または白色に近い光を得ることが可能となる。発光層としては、青色光を発するための１層を設けるだけでよく、赤色光や緑色光を発生させるための複数の発光層を設ける必要はないため、全体構造の簡素化、ならびに製造コストの低減を図ることもできる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１および第２の物質は、互いに混合された状態とされて、上記有機層に形成されているホール輸送層および電子輸送層の双方または一方にドープされている。

このような構成によれば、ホール輸送層および電子輸送層の少なくとも一方が、第１および第２の物質が混合してドープされたフォトルミネセンス発光領域として有効に利用されることとなり、その構成は合理的である。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１および第２の物質は、上記有機層に形成されているホール輸送層および電子輸送層に対して個別にドープされている。

第１および第２物質の材質如何では、これらを混合させて共蒸着させた場合、たとえばこれらが互いにくっつき合った塊となって、ホール輸送層や電子輸送層の膜質を低下させる場合があり得る。上記構成によれば、第１および第２の物質を個別にドープしているために、そのような不具合を適切に回避することが可能である。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記フォトルミネセンスの発光物質は、上記有機層のうち、上記発光層に隣接する部分を避けるようにドープされている。

有機層の発光層は、多くの不純物を含むと劣化し易く、その使用寿命が短くなることが経験的に知られているが、上記構成によれば、発光層に隣接する部分にはフォトルミネセンスの発光物質がドープされていないために、この発光物質が発光層に混入し難くなっている。したがって、フォトルミネセンスの発光物質に起因して発光層が劣化することは、適切に防止される。また、フォトルミネセンスの発光物質については、できる限り発光層から遠い領域で発光させた方が外部量子効率を高めるのに好適となるが、上記構成によれば、そのような効果も得られることとなる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記陽極および陰極の一方は、透明電極とされ、かつ他方は、上記発光層から進行してきた光を上記発光層および上記透明電極に向けて反射する反射電極とされており、上記フォトルミネセンスの発光物質は、上記有機層の発光層を除く領域のうち、上記透明電極寄りの領域に部分的にドープされている。

このような構成によれば、フォトルミネセンスの発光物質の発光は、光の出射がなされる透明電極寄りの領域においてなされるために、外部への出射光量を多くし、外部量子効率を高めるのにより好適となる。また、フォトルミネセンスの発光物質が透明電極寄りの領域に部分的にドープされていれば、この発光物質が有機層の発光層に混入することも適切に回避され、発光層の劣化を防止するのにも好適となる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る有機ＥＬ発光素子の一例を示している。本実施形態の有機ＥＬ発光素子Ａ１は、基板１上に、陽極２、有機層３、および陰極４が順次積層された構成を有している。有機層３は、ホール輸送層３０、発光層３１、および電子輸送層３２が積層された構造を有している。本実施形態においては、基板１が透明基板として構成され、また陽極２は透明電極として構成されており、発光層３１から発せられた光は基板１の片面の光出射面１０から外部に出射するようになっている。陽極２および陰極４は、蒸着あるいはスパッタリングなどにより形成され、また有機層３の各層は、いずれも蒸着により形成されている。

基板１は、たとえば板状のガラス製または樹脂製である。可撓性を有するシートまたはフィルムを基板１として用いることもできる。陽極２は、陰極４とともに発光層３１に電場を与えるためのものであり、その材質はホール注入性を良好にすべく仕事関数が大きいものが用いられており、本実施形態では透光性をもつたとえばＩＴＯである。陰極４は、電子注入性を良好にすべく仕事関数が小さく、かつ光反射率が高いたとえばアルミニウムなどの金属製であり、発光層３１から進行してきた光を透明な陽極２および基板１に向けて反射する。

発光層３１は、エレクトロルミネセンスの発光色素（以下、「ＥＬ発光色素」という）を含む薄膜層であり、この部分に電子およびホールが注入されて再結合されることにより励起子が生成され、この励起子がこの発光層１３内を拡散して基底状態に脱励起する際に光が放出される。この発光層３１のホスト材料としては、たとえばトリス（８−キノリラト）アルミニウムが用いられており、またゲスト材料としてのＥＬ蛍光色素は、ピーク波長が約４７０ｎｍの青色光を発するＴＢＡ（トリ（ビフェニール−４−イル）アミン）、あるいはＴＰＢ（テトラフェニルブタジエン）が用いられている。なお、発光層３１は、励起一重項状態に基づく蛍光を生じるものに代えて、励起三重項状態に基づくりん光を生じる構成とすることもできる。この場合の青色光を放出するＥＬ発光色素としては、FIrpicなどのイリジウム錯体を用いることができる。

ホール輸送層３０は、発光層３１に対するホール注入性を向上させるための部分であり、イオン化エネルギがある程度小さく、発光層３１へのキャリアの閉じ込めを可能とする部分である。このホール輸送層３０の材質は、たとえばＮＰＢに代表されるアミン系材料である。ホール注入性を高めるための手段として、ホール輸送層３０と陽極２との間に、アミン系あるいはフタロシアニン系の材料からなるホール注入層（図示略）を設けた構成とすることもできる。

このホール輸送層３０には、エレクトロルミネセンスの性質を有しない２種類のフォトルミネセンスの発光物質９ａ，９ｂ（以下、「ＰＬ発光物質」という）がドープされている（図面においては、ＰＬ発光物質９ａ，９ｂを網点模様で模式的に示している）。これらＰＬ発光物質９ａ，９ｂは、発光層３１から発せられる青色光を受けて励起されることにより蛍光またはりん光を生じ、ピーク波長が約６００ｎｍの赤色光、およびピーク波長が約５２０ｎｍの緑色光を個々に発するものである。たとえば、フローサイトメトリの分野では、種々のＰＬ蛍光色素が用いられており、青色光励起により赤や緑に蛍光する色素が多く存在する。本実施形態のＰＬ発光物質９ａ，９ｂとしては、たとえばそのような蛍光色素の中から適当なものを選択して用いることが可能である。ホール輸送層３０は、上記したアミン系材料などのホスト材料と２種類のＰＬ発光物質９ａ，９ｂとが共蒸着されることにより形成されている。ただし、これらＰＬ発光物質９ａ，９ｂは、ホール輸送層３０の全体に対して均一な密度にはドープされておらず、発光層３１の近傍領域を避けるようにして、陽極２寄りの領域のみにドープされている。なお、２種類のＰＬ発光物質９ａ，９ｂについては、後述するように有機層３の互いに分離した領域に対して別々にドープさせた構成とすることもできる。

電子輸送層３２は、発光層３１に対する電子注入性を向上させるための部分であり、その材質はたとえばＡｌｑである。電子注入性を高めるための手段として、電子輸送層３２と陰極４との間に、ＬｉＦなどのホール注入層（図示略）を設けた構成とすることもできる。この電子輸送層３２に対しても、ホール輸送層３０と同様に、２種類のＰＬ発光物質９ａ，９ｂがドープされている。これらのＰＬ発光物質９ａ，９ｂも、発光層３１の近傍領域にはドープされておらず、陰極４寄りの領域のみにドープされている。

次に、上記した有機ＥＬ発光素子Ａ１の作用について説明する。

まず、陽極２および陰極４に電圧を印加して有機層３に電界を発生させると、発光層３１は、エレクトロルミネセンスにより発光し、青色光を発する。この青色光の一部は、透明な陽極２および基板１に向けてそのまま進行し、あるいは陰極４によって反射されてからそれら陽極２および基板１に向けて進行して基板１の光出射面１０から外部に出射する。これに対し、上記青色光の他の一部としては、ホール輸送層３０や電子輸送層３２にドープされている２種類のＰＬ発光物質９ａ，９ｂに当たり、これらを励起させるものもある。とくに、発光層３から発せられた青色光としては、陽極２や基板１の表面に反射されてホール輸送層３０内に戻されるものもあるが、このような光もそのような進行過程においてＰＬ発光物質９ａ，９ｂに当たる。すると、ＰＬ発光物質９ａ，９ｂは、上記青色光によって励起され、フォトルミネセンスにより赤色光および緑色光を発する。したがって、光出射面１０からは、赤、緑、青の光が出射することとなり、白色光を好適に得ることが可能となる。

ＰＬ発光物質９ａ，９ｂは、電界励起によっては発光しておらず、発光層３１から発せられた青色光によって励起されて発光している。したがって、このＰＬ発光物質９ａ，９ｂは、電界による励起によって発せられた青色光が有機層３内において多数回にわたって反射を繰り返しながら減衰することを抑制する作用を発揮することとなり、このことにより外部量子効率が高められることとなる。したがって、この有機ＥＬ発光素子Ａ１においては、消費エネルギを少なくしつつ、発光輝度を高めることが可能となる。

ＰＬ発光物質９ａ，９ｂは、既述したとおり、発光層３１の近傍領域には設けられていない。発光層３１の劣化を防止するためには、この発光層３１内に多くの不純物が含まれないようにすることが望まれるが、本実施形態によれば、発光層３１内にＰＬ発光物質９ａ，９ｂが不純物として混入する虞れを無くし、発光層３１が劣化することも適切に回避することができる。また、ホール輸送層３０にドープされているＰＬ発光物質９ａ，９ｂは、光出射面１０に近い領域で発光するために、これらＰＬ発光物質９ａ，９ｂから発せられた光は、光出射面１０から外部に出射し易く、外部量子効率を高めるのにより好ましいものとなる。

図２〜図４は、本発明の他の実施形態を示している。これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

図２に示す有機ＥＬ発光素子Ａ２に構成においては、ホール輸送層３０にＰＬ発光物質９ａがドープされているとともに、電子輸送層３２にはＰＬ発光物質９ｂがドープされている。ＰＬ発光物質９ａ，９ｂの種類によっては、これらを共蒸着させた際にこれらが互いにくっつき合った塊となって、ホール輸送層３０または電子輸送層３２の質を低下させる場合があり得る。これに対し、本実施形態によれば、ＰＬ発光物質９ａ，９ｂが別々の領域にドープされているために、そのような虞れがない。もちろん、ＰＬ発光物質９ａ，９ｂは、青色光の励起により赤色光および緑色光をそれぞれ発するために好適に白色光を得ることができる。

図３に示す有機ＥＬ発光素子Ａ３においては、ホール輸送層３０に２種類のＰＬ発光物質９ａ，９ｂがドープされているのに対し、電子輸送層３２にはＰＬ発光物質９ａ，９ｂがドープされていない構成とされている。本実施形態においても、ホール輸送層３０および電子輸送層３２の双方にＰＬ発光物質９ａ，９ｂをドープさせた場合と同様に、青色光の反射の繰り返しによる減衰を抑制し、白色光を得ることが可能である。本実施形態から理解されるように、本発明においては、ホール輸送層３０および電子輸送層３２の一方のみにＰＬ発光物質９ａ，９ｂをドープさせた構成としてもかまわない。ただし、このような場合において、ＰＬ発光物質９ａ，９ｂの光を外部に効率良く出射させるには、本実施形態のように、光出射面１０寄りのホール輸送層３０にドープすることが好ましい。また、有機ＥＬ発光素子としては、ホール輸送層および電子輸送層のいずれか一方のみを有し、かつ他方を省略した構成とすることも可能であり、この場合にはその一方の層にＰＬ発光物質をドープした構成となる。

図４に示す有機ＥＬ発光素子Ａ４においては、陽極２が反射電極として構成されているとともに、陰極４が透明電極として構成されている。陽極２は、光の反射率が高く、有機層３への正孔注入効率の高い材料、たとえばモリブデンやクロムとされ、あるいはこれらの金属がＩＴＯ膜の表面に積層された構成である。陰極４は、たとえば薄膜金属層４０にＩＴＯ膜４１が積層された構成を有しており、薄膜金属層４０は、その厚みがたとえば５０ｎｍ以下のアルミニウムであるなど透光性を有している。ＩＴＯ膜４１は、陰極４の厚みを大きくして抵抗値を小さくするためのものである。発光層３１から発せられた光は、陰極４を透過して外部に出射するようになっており、陰極４の片面が光出射面である。基板１は、不透明でよい。

本実施形態においては、電子輸送層３２のうち、陰極４寄りの領域にＰＬ発光物質９ａ，９ｂがドープされている。本実施形態においては、先に述べた実施形態とは光の出射方向が相違するものの、やはり発光層３１から発せられた青色光がＰＬ発光物質９ａ，９ｂを励起して赤色光および緑色光が発せられて白色光が得られる。そして、上記青色光が陰極４と陽極２との間において反射を繰り返して減衰することも適切に抑制される。ＰＬ発光物質９ａ，９ｂは、陰極４の近傍に設けられているために、ＰＬ発光物質９ａ，９ｂから発せられた光は、陰極４を介して外部に出射し易くなる効果も得られる。本実施形態および上述の実施形態から理解されるように、本発明においては、発光層３１から発せられた光が陽極２と陰極４とのいずれを透過するように構成されている場合にも適用可能である。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る有機ＥＬ発光素子の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

上述の実施形態においては、白色光を得るように構成しているが、本発明はこれに限定されず、白色光とは異なる色彩の光が得られるように構成してもよい。発光層３の発光色は青色に限らず、またＰＬ発光物質の発光色も赤色や緑色に限定されない。また、発光層は、必ずしも単層である必要もなく、たとえば同一または非同一の色彩の光を発する複数の発光層が設けられた構成とすることもできる。

ＰＬ発光物質は、２種類に限らず、１種類のみ、あるいは２種類を超える多数種類のものが用いられていてもよい。ＰＬ発光物質は、要は、電界励起では発光せず、発光層から発せられる光の励起により発光（蛍光またはりん光）を生じるものであればよく、その具体的な成分なども問わない。ＰＬ発光物質は、既述したとおり、発光層の近傍を避けるようにしてドープされることが好ましいものの、やはりこれに限定されず、たとえばホール輸送層や電子輸送層の全域にドープされているなどして、発光層に隣接する部分にもＰＬ発光物質が存在する構成とすることもできる。

本発明でいう有機ＥＬ発光素子は、単独の素子として構成されているものに限らず、たとえば１つの基板上に複数の有機層がライン状または面状に並んで設けられていることにより、ライン状または面状の光源装置を構成しているもの、あるいは画像表示用のディスプレイなどを構成しているものも含む概念である。

本発明に係る有機ＥＬ発光素子の一例を示す要部断面図である。 本発明に係る有機ＥＬ発光素子の他の例を示す要部断面図である。 本発明に係る有機ＥＬ発光素子の他の例を示す要部断面図である。 本発明に係る有機ＥＬ発光素子の他の例を示す要部断面図である。

符号の説明

Ａ１〜Ａ４ 有機ＥＬ発光素子
１ 基板
２ 陽極
３ 有機層
４ 陰極
９ａ，９ｂ ＰＬ発光物質（フォトルミネセンスの発光物質）
３０ ホール輸送層
３１ 発光層
３２ 電子輸送層

Claims (6)

1. 少なくとも一方が透光性を有する電極とされた陽極および陰極と、
   これら陽極および陰極の間に挟まれて形成され、かつ一部分が発光層として形成されている有機層と、
   を備えている、有機ＥＬ発光素子であって、
   上記有機層のうち、上記発光層を除く領域の少なくとも一部分には、エレクトロルミネセンスの性質を有さず、かつ上記発光層から発せられる光の励起によって蛍光またはりん光を生じるフォトルミネセンスの発光物質がドープされていることを特徴とする、有機ＥＬ発光素子。
2. 上記発光層は、青色光を発するように構成されており、
   上記フォトルミネセンスの発光物質としては、上記青色光を受けることによって赤色光を発する第１の物質と、緑色光を発する第２の物質とが用いられている、請求項１に記載の有機ＥＬ発光素子。
3. 上記第１および第２の物質は、互いに混合された状態とされて、上記有機層に形成されているホール輸送層および電子輸送層の双方または一方にドープされている、請求項２に記載の有機ＥＬ発光素子。
4. 上記第１および第２の物質は、上記有機層に形成されているホール輸送層および電子輸送層に対して個別にドープされている、請求項２に記載の有機ＥＬ発光素子。
5. 上記フォトルミネセンスの発光物質は、上記有機層のうち、上記発光層に隣接する部分を避けるようにドープされている、請求項１ないし４のいずれかに記載の有機ＥＬ発光素子。
6. 上記陽極および陰極の一方は、透明電極とされ、かつ他方は、上記発光層から進行してきた光を上記発光層および上記透明電極に向けて反射する反射電極とされており、
   上記フォトルミネセンスの発光物質は、上記有機層の発光層を除く領域のうち、上記透明電極寄りの領域に部分的にドープされている、請求項１ないし５のいずれかに記載の有機ＥＬ発光素子。

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